有機材料中の水素と重水素の分布を単一分子スケールで識別することに成功 ~新たな電子線分光技術により、分子や結合位置の特定に効力~

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2025-03-25 東北大学

東北大学多元物質科学研究所の陣内浩司教授と宮田智衆講師らの研究グループは、独自に開発した電子線分光技術を用いて、有機材料中の水素と重水素の分布を3ナノメートル(nm)の高い空間分解能でイメージングすることに成功しました。この技術は、炭素に結合する水素と重水素の化学結合の違いを識別し、重水素標識分子の空間分布を詳細に可視化するものです。さらに、計算科学との融合により、高分子科学における長年の未解決課題であったレプテーションモデルの実証に近づく重要な手がかりを得ました。この手法は、有機材料内部の化学結合や化学物質の空間分布を精密に特定できる新しいイメージング技術であり、より高性能かつ高機能な材料の開発に向けた新たな指針を提供すると期待されています。本研究成果は、2025年3月24日(英国時間)に科学誌『Nature Nanotechnology』に公開されました。

<関連情報>

電子分光法を用いた有機材料のナノスケールC-H/C-Dマッピング Nanoscale C–H/C–D mapping of organic materials using electron spectroscopy

Ryosuke Senga,Katsumi Hagita,Tomohiro Miyata,Hsiao-Fang Wang,Koichi Mayumi,Hiroshi Jinnai & Kazu Suenaga
Nature Nanotechnology  Published:24 March 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-025-01893-5

有機材料中の水素と重水素の分布を単一分子スケールで識別することに成功 ~新たな電子線分光技術により、分子や結合位置の特定に効力~

Abstract

Distinguishing hydrogen from deuterium using atomic-scale imaging and spectroscopy is crucial for identifying microscopic structures and the origins of the properties of organic materials. However, conventional structural analysis techniques for materials containing both isotopes, such as neutron scattering, provide only averaged information across the beam area. Here we utilize vibrational spectroscopy using a monochromated transmission electron microscope to discretely image hydrogen and deuterium in organic polymers at single-nanometre resolution. This technique allowed carbon–hydrogen and carbon–deuterium stretches to be mapped, which uncovered the surface segregation of the deuterated polystyrene component within a block copolymer film composed of deuterated polystyrene and poly(2-vinylpyridine). Moreover, it enabled clear visualization of the spatial distribution of hydrogenated and deuterated polystyrene on a molecular scale in a bulk block copolymer specimen containing both components. This method, integrated with coarse-grained molecular dynamics simulations, revealed a localized feature of polymer chains corresponding to the reptation tube, which could not be identified using conventional scattering techniques.

0500化学一般
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